（机械电子工程专业论文）墙纸行业生产调度与统计系统的研究和应用.pdf

摘要 摘要 面向客户订单的多品种、小批量的生产模式，正在成为墙纸行业的主导生产 方式。因此，合理而有效的生产调度及统计系统对于墙纸行业具有重要的意义。 本文以研究墙纸企业按订单生产的特点为基础，采用全局搜索能力很强的遗传算 法，开发了一个具有实际应用价值的生产调度及统计系统。本文研究的主要内容 包括： 1 1 分析了墙纸行业的生产模式：属于面向订单生产的半流程制造业。并指出 了其生产调度的特点：生产工序是连续且有先后顺序的，但工序之间又可以间断， 而且可以到不同的机器上完成该工序的生产，生产调度的主要目标是尽可能缩短 生产时间，提高生产设备的利用率。 2 1 对生产调度问题的研究现状和研究方法做了综述和整理，深入探讨了遗传 算法的基本原理和基本流程，并结合墙纸行业的生产模式和生产特点，指出其属 于混合f l o ws h o p 问题，采用基于置换编码的遗传算法，并以最小生产时间作为目 标函数，较好的解决了由人工调度带来的墙纸生产设备使用效率偏低的问题，提 高了生产效率。 根据以上研究，开发了一套生产调度和统计系统，作为广东某墙纸厂er p 系统生产模块的有机组成部分，并得到了比较好的应用效果。 关键词：面向订单生产；半流程工业；生产调度；遗传算法；混合f l o ws h o p 问题 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - v a r i e t i e sa n ds m a l l b a t c h p r o d u c t i o n i sb e c o m i n gt h ed o m i n a t em o d ef o rt h e w a l l p a p e ri n d u s t r y s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ew a l l p a p e ri n d u s t r yt o e s t a b l i s h e f f e c t i v ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n ds t a t i s t i c a ls y s t e m o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a k e - - t o - - o r d e rw a l l - p a p e ri n d u s t r y , t h i sp a p e ru t i l i z e st h ew h o l e s i t u a t i o ns e a r c hf o rv e r yc a p a b l eg e n e t i ca l g o r i t h mt od e v e l o pap r o d u c t i o ns c h e d u l i n g a n ds t a t i s t i c a ls y s t e m t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gm a i nc o n t e n t ： 1 ) t h ep r o d u c t i o nm o d eo ft h ew a l l - p a p e ri n d u s t r yb a s e do nm a k e t o o r d e r a r e s t u d i e d ，t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a l l p a p e ri n d u s t r y sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g a r e p o i n t e do u t ：t h e r e i s p r i o r i t yo r d e ri n s u c c e s s i o ni nt h ew o r kp r o c e d u r e ，b u tc a nb e h a l t e da g a i nb e t w e e nt h ep r o c e d u r e ，a n dc a nr e a c ht h ep r o d u c t i o nf i n i s h i n gt h i sw o r k p r o c e d u r eo nd i f f e r e n tm a c h i n e ，t h em a i nt a r g e to fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st om a k e f u l lu s eo f p r o d u c t i o ne q u i p m e n t s 2 1t h er e s e a r c hs t a t u sa n dm e t h o d sa r es u m m a r i z e d t h ef u n d a m e n t a l sa n db a s i c f l o wo f g e n e t i ca l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d i nd e t a i l a s s o c i a t e dw i t ht h ep r o d u c t i o nm o d e a n dc h a r a c t e r i s t i c so fw a l l p a p e ri n d u s t r y , i t sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gb e l o n g st ot h e h y b r i df l o ws h o p sp r o b l e m a p p l i e db a s e d o np e r m u t a t i o nc o d i n gg e n e t i ca l g o r i t h m a n du s e dm i n i m a lp r o d u c t i o nt i m ea st a r g e tf i m c t i o n ，i ti ss o l v e dt h ep r o b l e mo fl o w e f f i c i e n c yo fw a l l p a p e rp r o d u c t i o ne q u i p m e n t s u t i l i t yt h a t i sc a u s e db ym a n p o w e r s c h e d u l i n ga n di m p r o v e d t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ea b o v es t u d y ，ap r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n ds t a t i s t i c s y s t e mi s d e v e l o p e d ，w h i c hi s t h eo r g a n i cp a r to ft h ee r ps y s t e mo fw a l l p a p e rf a c t o r y i n g u a n g d o n gp r o v i n c e ，a n d t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi se f f i c i e n c y k e y w o r d s ：m a k e - t o o r d e r ；s e m i - p r o c e s s i n d u s t r y ；p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ； g e n e t i ca l g o r i t h m ；h y b r i df l o ws h o pp r o b l e m i i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着市场竞争的目趋激烈，以及顾客需求的多样化趋势，新产品市场寿命周 期越来越短，产品花色品种不断增多而批量不断减少，迫使制造企业必须重视对 市场变化的反应速度，努力提高生产柔性和产品质量，降低成本i t 。随着计算机 信息技术的飞速发展，现代工厂自动化程度也越来越高，产品生产周期大大缩短， 产品结构日趋复杂、功能日益完善，使得多品种、小批量的生产方式逐渐成为中 小制造企业开发与生产的主流。 在过去，一个制造企业的竞争能力是由其产品的性能和可靠性决定的。近年 来，缩短产品交货期并诚信遵守产品交货期对一个企业的成功来说也具有同样重 要的意义。自8 0 年代以来，尽管企业面临降低产品成本的巨大压力，但在汽车、 机械制造、电器等工业中用户所要求的交货期还是在很短的时间里缩短了一半。 因此，建立适合企业实际情况的生产管理系统是企业适应市场和自身发展的 需要。随着新技术和制造过程自动化的迅速发展，尤其是电子和计算机控制系统 以及数字和图形数据处理技术的发展对研究企业生产调度系统提供了有利条件。 在激烈的市场竞争中，市场的销售方式已由“以产定销”转为“以销定产”，以市 场和用户的需求为导向安排生产。在这种面向订单生产( m a k e - t o o r d e r ，简称为 m 1 d ) 的环境中，用户的要求是多样化的，对供应商的要求也越来越高，不但表 现在产品的质量、性能和售后服务方面，还反映在对产品品种、规格、型号等方 面是否能快速响应市场的变化。在这样的背景下，随着市场和企业自身的多样化 趋势，一种处于离散型和纯流程型中间的生产模式半流程式生产的企业得到 较大的发展，研究和制订适合其自身特点的生产调度系统，对实现这类制造企业 的目标，提高竞争能力，具有重要的意义。 生产调度是企业实现现代化生产管理的重要方法之一，是对企业生产全过程 直接进行控制和协调的一项具体工作是组织完成生产作业计划的重要手段，是 使生产系统能够持续、协调、稳定、高效运行的重要保征。面对复杂的市场变化， 生产调度纯粹依赖有经验的调度人员己经成为企业提升竞争力的瓶颈之一。因为 广东工业大学硕士学位论文 在竞争激烈的经济全球化时代，一个企业对市场变化的反应速度是衡量一个企业 竞争力的重要标志之一。而且面向客户订单的多品种、小批量甚至单件生产，正 在成为半流程制造业的主导生产方式，而这对企业的生产调度提出了更高的要求。 所以在这种背景下，生产调度问题成了理论研究的热点。 1 _ 2 国内外研究现状与方法 1 2 1 研究现状 在我国，一般认为最早开始研究调度问题的是中科院的越民义、韩继业，他 们从7 0 年代起就开始f l o ws h o p 问题，并取得了很好的成果。 1 9 9 6 年，沈英俊【2 】等人针对f l o ws h o p 问题，以最小加工周期为目标，提出 了两个新的算法，一个是给出了新的排序规则的启发式算法，另外一个是在s l ( s e y s e n - l o v a s z ) 法的基础上改进的算法，取得了好的成果。 浙江大学纪树新博士【3 】发表了名为车间作业调度遗传算法的编码研究的文 章，给出了j s s ( j o bs h o ps c h e d u l i n g ) 连锁基因编码法。 西北工业大学的徐跃飞博j z l 4 l 在启发式调度算法的基础上给出了一种叫做工 序混合编码链的染色体编码方法，取得了不错的仿真结果。 东北大学唐立新教授等【5 】用遗传算法研究了在c i m s 环境下m r pi i 多级生 产批量计划问题，并取得了比启发式算法要好的结果，平均性能改善5 以上， 进一步说明遗传算法在解决排序问题上的优越性。 何桢【6 1 等人分析了成组流水线上多品种加工时零件排序的数学模型，并提出 了新的启发式算法，大量计算机模拟结果表明，这个方法优度教高。 哈尔滨理工大学王风儒教授及李小平、常会友教授等1 7 用定界遗传算法解决 j o bs h o p 问题做了深入的研究， 清华大学王凌博士对车间作业调度及遗传算法有深入的研究，他对含同工件 流水线调度问题给出了一种优化策略。【8 j 国外方面，f a r o d m m e r 9 1 等人于1 9 8 8 年给出了一个排序问题的综述，其中 包含了很多这方面的文献。 1 9 8 9 年，0 s m a i l 【1 0 】等人用模拟退火算法解f l o ws h o p 问题，给出了计算初始 温度和迭代次数的计算公式，并对比了随机交换、随机插入、顺序交换、顺序插 2 第一蕈绪论 入四种实现方法结果差异。 1 9 9 5 年，r e e v e s i h 提出了一种求解f l o ws h o p 问题的遗传算法，采用 n e h ( n a w a z e n s c o r e h a m ) 启发式算法提供初始解，并使用了动态变化的变异概 率，初始概率很大，为o 8 l i n n 等 1 2 】( 1 9 9 9 ) 简单综述了多阶段h f s p ( h y b r i df l o ws h o pp r o b l e m ) l 拘若干 研究现状，但未涉及到智能优化算法的设计。 s a n t o s 】等给出了求解h f s p 最大完成时间的一个下界，可用于检验次优化 方法的性能好坏。 x i a o i “1 等提出了h f s p 问题的一种遗传算法。 综上所述可以看出，虽然对车间调度领域的研究已有几十年的历史，但至今 尚未形成一套系统的方法与理论，并且多数研究忽略了很多重要的因素，建模时 对真实环境进行了大量的简化，离应用尚有不小的差距。 在实际生产企业中，有不少制造企业的生产流程介于离散型生产和连续型生 产之间，我们称之为半流程型生产。对于这种类型的企业生产管理问题，若简单 地以离散型生产理论或连续型生产理论加以考虑，在作业计划的制订、控制、优 化时往往会遇到不少问题。这样不但不能对原有的生产过程进行有效的控制，而 且甚至会给原来的生产过程带来新的问题。因此，本文尝试用一种基于置换编码 的遗传算法和人工安排相结合的一种策略来解决这种半流程制造业( 典型企业为 墙纸生产厂家) 的生产调度问题。 1 2 2 研究方法 总的来说，生产调度方法可分为精确算法( 如运筹学方法) 和近似算法。近 似算法又可以分为两大类：基于排序的方法和基于分派规则的方法。基于分派规 则的方法只能得到可行的调度方案，不可能得到最优的调度方案，而基于排序的 方法有可能得到最优的调度方案。基于分派规则的方法通过分派规则确定工序的 开工时间，从而形成一个可行的加工顺序，而基于排序的方法是先有一个可行的 加工顺序，然后才确定每个操作的开工时间，并对这个顺序进行优化i l “。 运筹学方法。由于生产调度是类组合优化问题，属于n p 完全问题，随着 问题规模的扩大，会发生组合爆炸，算法复杂性呈指数增长，只能求解规模不太 广东工业大学硕士学位论文 大的问题。再加上运筹学方法自身的局限，人们在应用运筹学方法时，不得不附 加一些脱离实际环境的假设，这在一定程度上导致了理论研究与实际应用之间的 差距。 系统仿真方法。基于仿真的方法，如离散事件系统仿真、p e t r i 网，不单纯追 求系统的数学描述，侧重对系统运行中逻辑关系的描述。仿真技术不仅能对生产 调度方案进行比较评价和选择，分析系统的动态性能，而且能够选择系统结构参 数。仿真方法不足之处在于每一次仿真运行只是对实际加工过程的次抽样，不 能进行有效的优化。 1 6 1 基于知识的方法。后来，调度问题的解决方法开始转向人工智能。常见的智 能调度系统是基于专家系统技术实现的。由于专家系统中知识获取和推理速度这 两个瓶颈，人们将注意力转向了神经网络方法。其中，多层前馈的b p 网络是应 用最广网络之一。但是，神经网络理论还存在许多缺陷，例如训练速度慢，易陷 于局部最小和全局搜索能力弱等。开发新的知识搜索策略( 如启发式搜索) 和自 学习系统( 如归纳学习、神经网络、基于案例学习) 将成为这一领域的未来研究 方向。 启发式方法。从生产实践中，人们总结、提炼出很多行之有效的经验和规则， 用来解决实际调度问题，这类方法被称为启发式调度方法。用于调度的这些规则 被称为调度规则、分派规则、优先规则或启发式规则。上述概念之间大体相同， 略有差异。这种方法的本质是：按照规则从尚未调度工序的一个子集中选择一个 工序进行调度，直到所有的工序都被调度为止。由于调度规则是基于经验和特定 问题，所以没有普遍适用的规则存在，某一规则只能运用于一定场合的问题，而 且没有企图去直接优化某一性能指标，所以求得的解也只是可行解。 邻近搜索。这种技术是随机性和启发式的，当搜索解空间时，它们仅对选定 的成本函数值的变化做出响应，因此通用性强。尽管这种技术需要的运行时间比 启发式方法长，但解的质量能得到显著提高，这类方法包括局部搜索、模拟退火 法、列表寻优法和遗传算法。在调度问题领域，它们都是基于排序的方法。 1 3 本课题研究的目的和意义 经济全球化和信息化时代的来临，竞争的压力迫使企业必须提供更具弹性的 第一覃绪论 客户服务和不断的缩短接单到交货( o r d e r - t o d e l i v e r y ：o t d ) 的前置时间，以保证 更高的准时交货率。面对如此严峻的挑战，e r p m r p i i 系统中以传统物料需求计 划( m r p ) 系统为核心的计划逻辑已无法满足日益复杂的采购、生产和销售一体 化的运筹规划。而且，企业采取有单就接和粗能力的生产排程方式，为了不延误 交货期，只好采取加班或者外包来满足订单交货期。此外，由于m r p 不考虑能 力的限制，又可能造成原料，装配件采购计划无法配合生产计划，以致影响既定生 产进度，而造成无法满足客户交货期或成本过高的恶性循环。本研究希望能够突 破e r p m r p i i 的诸多限制，加强e r p m r p i i 系统中以传统m r p 计划逻辑为主的 生产排程的功能，克服上述普遍在企业中存在的问题，帮助企业提高设备利用率 和提高准时交货率、降低成本。 信息时代制造业面临的是动态、突变和非平衡的环境。面向客户订单( m a k e t o o r d e r ) 的多品种、小批量甚至单件生产，正在逐渐成为制造业尤其是半流程 制造业的主导生产方式。对于传统的制造系统而言，大多数产品订单或是固定的、 或是可以预测，因而企业有充足的时间，对车间的配置及生产计划进行精心设计 与组织。其次，制造企业接到客户订单后，一般不马上投产，而要在订单缓冲区 等待一段时间后，才集中进行处理。因此，研究在新环境下半流程式企业按“订 单”生产的计划模式、特点、影响因素及系统的实现，对于促进企业向订单制造 的生产模式的转变、制订适合自身特点的生产调度系统，增强企业市场竞争能力， 具有重要的现实意义。 本课题将研究以传统的m r p i i 为基础、以先进的信息技术为支持的半流程制 造业面向订单生产调度及统计系统，研究成果有助于实现对广东某墙纸厂生产作 业进行有效的管理与控制，改进生产计划设计和管理工作的效率，满足公司对新 的市场竞争的发展需要。从而彻底改变传统的手工作业计划管理方式和手段，并 有利于销售、库存等相关的企业系统。这对提高企业综合竞争能力，降低生产成 本，实现良好的经济效益有着重要意义，具有广泛的应用推广前景。 广东工业大学硕士学位论文 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于广东某墙纸厂网络化制造系统项目，并得到广东省科技攻关项 目：分散化制造资源快速配置系统研究与开发( 项目号：2 0 0 2 a 1 0 4 0 1 0 4 ) 的资助。 1 4 2 主要研究内容 1 1 墙纸行业的生产模式和生产调度的分析，指出墙纸行业的调度问题属于 混合f l o w s h o p 问题； 2 1 混合f l o ws h o p 问题的数学描述，遗传算法的基本原理和基本流程，用遗 传算法解决混合f l o ws h o p 问题的过程描述； 3 1 墙纸行业生产调度系统的设计； 4 ) 墙纸行业生产统计模块的分析； 5 ) 系统应用实例； 本论文的总体结构如图卜l 所示： 图卜1 论文的结构 6 f i g 卜lc o n f i g u r a t i o no fp a p e r 广东工业大学硕士学位论文 第二章墙纸行业生产特点分析 2 1 墙纸行业生产模式 2 ，1 1 制造业生产模式分类 激烈的市场竞争要求产品的交货期越来越短，建立适合本企业实际生产情况 的生产管理系统是企业适应市场和自身发展的需要。不同的企业有着不同的生产 模式。企业的生产模式，按照生产环境和计划方式，主要可分为面向库存生产 ( m a k e t o s t o r e ，简称为m t s ) 、面向订单生产( m a k e t o o r d e r ，简称为 m t o ) 以及同时兼有这二者的混合型生产三大类。按照工艺流程特征可分为离散 式生产、流程式生产和具有它们中间特点的半流程式生产。 一、按生产环境和计划方式分类 l 、面向库存型企业，其产品在客户订单到达之前已经开始生产，通过库存来 满足顾客的需求。典型的情况是，产品放在仓库里等待客户订单。在这种情况下， 交货提前期短，通常销售量也很大。这种企业一般是生产标准件或进行原料的简 单加工。m t s 型企业采用成组技术和专用生产线，影响因素相对较少，比较稳定， 相关技术已比较成熟【1 7 】。 2 、面向订单型企业是在客户订单到达之后，才开始组织生产过程。由客户提 供产品资料，企业根据客户的要求来进行生产。其中，面向订单设计( e n g i n e e r 一 幻一o r d e r ，简称为e t d ) 和面向订单装配( a s s e m b l e t o o r d e r ，简称为a r 0 ) 是面向订单生产的两个例子。e t o 是一种在接到客户订单后，依照客户指定规格， 由工程师开始设计产品的生产环境，首先定义产品规格，然后开出物料清单，订 购所需物料并保留生产能力。整个交货提前期包括设计时间、物料采购时间和生 产时间。这种生产计划方式主要用于高度客户化的订单。a t o 则是一种在接到客 户订单后开始组装最终产品的生产环境。装配完成品所需的主要组件在客户订货 之前就计划、生产并储存入库的。接到客户订单之后，依照客户指示的规格领取 组件并装配成完成品。当产品有许多可选特征，而客户又不愿意等备料及生产所 需的时间时，就可采用这种生产方式。随着市场需求的变化，“面向订单”生产这 8 第= 苹墙纸行业生产特点分析 一领域以惊人的速度在发展。 3 、混合型生产，这是一种同时存在m t s 和m t o 方式的生产，一方面根据 一定的市场预测，保留较大的库存量来满足后来的客户订单，另一方面以一定的 实时生产能力来满足高度客户化的订单。 二、按工艺流程特征分类 1 、离散式生产，也常称为车间任务型生产，其特点是生产流程不连续，对控 制的实时性要求不高，但需对物流进行及时跟踪，每项生产任务仅要求整个企业 组织的- d , 部分能力和资源，并且将功能类似的设备按空间和行政管理建成一些 生产组织( 工段或班组) ，如车、铣、磨、钻等。在每个部门，工作从一个工作中 心到另一个工作中心进行不同类型的工序加工。对于这种生产组织方式，其设备 的使用是灵活的，工艺路线也可以是灵活的。如生产各种类型产品的机械制造厂 属于这种类型。 2 、流程式生产是对一个特定产品的生产，所需的加工能力和工装设备是专门 设定的，生产的工艺路线也是固定连续的，各工序前后紧密相连，加工的零部件 以流水方式通过工作中心或设备，工作中心或设备按加工的先后顺序排列，生产 过程中包含复杂的物理、化学过程。各个工作中心的生产率之间的平衡比离散式 生产更为重要，因为它将确保流水生产的顺利进行。如化工、制药企业等。 3 、半流程式生产类似于流程式生产，但它又具有离散式生产的一些特点，其生 产过并不完全是一个自动生产线。在现实生产中，一个企业的生产并不绝对地定 义为离散式生产或流程式生产，许多情况下，兼有这二种生产方式的特点，其生 产过程中通常是工序具有连续型生产过程的特点，但工序之间可以间断，可以改 用另外的工艺路线，即又具有离散型生产过程的特点。 2 1 2 半流程行业的特点分析 半流程生产行业，主要是通过对原材料进行混合、分离、粉碎、加热等物理 或化学方法，使原材料增值。通常，他们以批量或连续的方式进行生产。只有满 负荷生产，企业才能将成本降下来，在市场上具有竞争力。因此，在半流程生产 行业企业的生产计划中，年度计划更具有重要性，它决定了企业的物料需求。 半流程生产行业的产品比较固定，而且一旦生产就有可能是十几年不变；机 9 广东工业大学硕士学位论文 械制造等行业的产品，寿命相对要小得多。体现在设备上，半流程企业的设备是 一条固定的生产线，设备投资比较大、工艺流程固定。其生产能力有一定的限制， 生产线上的设备维护特别重要，不能发生故障。 半流程生产行业的生产工艺过程中，会产生各种副产品、废品等，对物资的 管理需要有严格的批号。例如，制药业中的药品生产过程要求有十分严格的批号 记录和跟踪，从原材料、供应商、中间品以及销售给用户的产品，都需要记录。 一旦出现问题，企业要可以通过批号反查出是谁的原料、哪个部门、何时生产的， 直到查出问题所在。 半流程生产行业和离散行业的m r p i i f e r p 的不同要求，主要表现在： 两者 对于生产模型的要求不同半流程生产行业中体现了以配方为核心的生产模 型，而离散行业中体现了以产品b o m 为核心的生产模型。 生产计划方式方面，半流程企业根据市场的需求进行生产的观念已经逐步加 深。但一般情况下，特别是对市场需求量大的产品，是“以产促销l 通过大批 量生产，降低成本，提高竞争力。因此，作为半流程企业生产计划的依据，主要 是市场预测。离散企业一方面可以根据定单迸行生产，另一方面也可以根据市场 预测作为生产计划制订的依据。离散企业的m r p i i e r p 系统向m e s 下达作业计 划指令主要以“工作令”( j o bo r d e r 或w o r ko r d e r ) 的方式，而半流程企业的作业 计划下达主要以指令计划形式方式。 在半流程生产行业的流水线生产中，生产线上的设备维护特别重要，每台设 备都是关键设备，不能发生故障，一台设备的故障会导致整个工艺流程的终止a 半流程生产行业中，对连续生产方式，一般不设中间半成品库房，配方原料 的库位一般设置在工序旁边。配方领料不是根据工序分别领料，而是根据生产计 划一次领料放在工序库位中。 半流程生产行业中，一般采用对生产批号产品进行各工序上的抽样检验。 2 1 3 墙纸行业生产模式 墙纸是一种装饰材料，它是由原纸和其他的辅料经过一定的物理化学变化， 加工而得。一般的墙纸企业都是按照墙纸生产的工艺顺序排列生产线，使原纸照 一定的速度，连续地( 或者间歇式) 和有节奏地经过各个生产线依次加工，直到 第二苹墙纸行业生产特点分析 生产出成品。其特征是：生产线专业化程度高，每道生产线固定完成一道工序。 工艺工程是封闭的，生产线按工艺顺序排列，劳动对象在工序间作单向移动，工 序间的在制品数量有可能堆积。 墙纸生产企业一般采用移动流水线的生产方式，即：工人和设备的位置固定， 生产对象顺序经过各道工序的生产线进行加工。自动化程度较高的墙纸企业采用 将生产作业方法大致相同的特定几个品种，在自动化程度很高的生产线上混合连 续地生产。也有很多的墙纸生产企业采用间断的生产方式，即：制品在完成一道 或几道工序后，在下道工序开始前，存在停放等待时间，使生产过程有一定程度 的中断。产生间断的原因，主要是由于生产线上各道工序的加工时间不相等。自 由节拍流水生产线上，不要求严格按照节拍生产制品，节拍主要靠工人的熟练程 度来做保证，而且可能产生生产波动。在无专用运输设备的流水生产线上，制品 或由工人自己用手传送给下一个工作地，或用普通运输工具运送。采用工作式传 送带，制品不必从传送带上取下，工人就在传送带一旁，对传送带上的制品进行 加工。产品的结构和工艺相对稳定。制品有足够大的产量，以保证流水生产线各 工作地有充分的负荷。【l8 】由这些特点及上面给出的半流程制造业的分析可以推 出，墙纸行业属于典型的半流程制造业。 准确的库存记录可以使销售部门对客户订单的承诺决策变得非常有效，并且 由于物流渠道的通畅，也能够给客户更好的承诺。所谓订单驱动业务，就是整个 经营业务流程是由订单这一需求媒介来拉动的，而不是以往的靠企业领导去推动 经营活动的进行。“订单驱动业务”的源头是客户，订单( 客户订单根据分销网络 的层次可能还分很多层，最原始的订单无疑应是最终产品消费者的订单) ，客户订 单的执行减少了库存，库存系统就产生了面向生产部门的生产订单，生产订单的 执行减少了原材料的库存，从而又产生面向供应商的采购订单。因此整个业务流 程依靠订单的驱动而自动运行，订单反映的是需求，所以也可以说是需求驱动。 这一运转模式的最理想境界就是零库存，这时订单的执行无需影响库存，而是直 接影响业务流程的上一业务环节。但是事实上零库存是不容易实现的，因为市场 环境的变化是不能完全准确预知的，必须为了不可预见的市场变化准备一定的安 全库存。 由于墙纸装饰行业在我国起步较晚，因此一般的墙纸行业或多或少的存在 o e m 生产模式。而且墙纸是装饰材料，所以对客户化和个性化要求非常高，一般 广东工业大学硕士学位论文 的墙纸企业基本上是按订单生产，以此来提高企业对市场需求变化的反应敏捷程 度，满足市场的需求，从而使自己在市场激烈的竞争中立于不败之地。 2 1 4 实例演示：某墙纸厂生产模式及流程分析 广东某墙纸厂成立于1 9 8 4 年，专业生产、经营墙纸产品及其配套产品。经过 1 8 年的艰苦创业和发展，现已发展成专业的墙纸生产企业。其产品远销欧美，在 业界具有良好的口碑。目前，企业拥有4 条全自动墙纸生产线，年生产能力达7 0 0 万卷，不仅实现了规模生产，还跻身于世界一流的墙纸生产企业，成为亚洲最大 的墙纸生产企业之一。 在国内市场上，该墙纸厂具有成熟的经销网络，拥有2 0 0 多国内经销商和国 内专卖店，经销网点遍布全国各大中城市。随着一城一店”的国内销售战略的逐 步实施，成熟完善的经销网络、方便快捷的物流和售后服务。在国际市场上，目 前，该墙纸厂产品远销西欧、北美、南美、非洲、东南亚、东欧、俄罗斯等地， 稳定的国际经销网络已基本形成。该厂每天接受大量的客户订单，并且各经销商 和专卖店的供货方式也以“客户”的方式供应，交货期都比较短，大约有3 0 0 0 多种不同型号的墙纸。在生产厂区内，是以尽量小的库存量满足客户订单的需求。 对于墙纸生产的原材料采购都要求比较充分，不能影响正常的生产，因此一次采 购量大，采购期长。 由于墙纸的特殊性，各种型号的墙纸生产工序虽然是连续的，一般要经过涂 层、印刷、浮雕、包装四大工序，有的在包装前还要多一个网印的工序，但每种 型号的墙纸在设计时都存在多种工艺路线的可能，而且现实情况是，该墙纸厂现 有的4 条生产线设备也不是完全相同的，因此，即使是同种型号产品的订单，也 可能是以不同的顺序通过不同的机器，该墙纸厂的生产模式是典型的半流程式生 产。 该厂的订单生产详细流程如图2 1 所示，图中括号内标识为模块内的菜单号。 从销售部接受客户的意向订单( 有内销和外销两种) 开始，经过审核生效之后， 在生成生产工单之前，即对该订单进行粗生产能力的确认，也就是说，生产部接 1 2 图2 - l 广东某墙纸厂订单生产流程图 1 3 f i g 2 1f l o wc h a r to f o r d e rp r o d u c t i o no f a c e r t a i nw a l lp a p e rf a c t o r yi n ( i u a n g d o n g 受从销售部过来的订单，已经是被销售部根据客户、库存状况和生产能力的检测 后能够生产的，因此，这个时候的订单，与m r p i i 中的主生产计划极为相似，也 是展开物料需求和能力需求计划的依据，而且，数据可以更为精确到某一天。 生产作业计划生成并下达给生产部后，生产部根据该计划中的产品情况和库 存状况，一方面生成领料单，另一方面，根据产品的结构和工艺，选择产品生产 的工艺路线，从而生成具体的车间生产工单，即车间作业计划，并对各生产工单 进行排序控制。在车间作业实施的过程中，要能处理一些特殊情况，如临时修改 生产线、紧急工单的插单处理等，这些属于生产控制问题。 由于生产工序的特殊性，产品的涂层工序是最先开始的，并且它作为一个预 先与具体产品无关的工序，以涂层纸( 或流程表) 的形式与生产工单进行关联。 生产过程中，要能对流程表进行灵活的处理。生产工单完成之后，及时进行完工 报告，并进行质量控制，所有的数据能与库存、成本、工效、工资和财务等有着 良好的共享性。 2 _ 2 墙纸行业生产调度特点 上一节的研究指出，墙纸行业属于面向订单生产的半流程制造业。因此，其 生产调度也要根据半流程制造业的特点来安排。 从生产过程来看，墙纸行业属于半流程制造业，因而具有半流程制造业的生 产模式的一般特征，比如说生产周期比较短，对于一个产品，其生产工序是一个 连续的过程，但每个工序中的工艺路线是可灵活选择的，可以根据实际情况在不 同的机器设备上进行生产，所有的订单并不一定以相同的顺序通过所有的机器。 但又有其自身的特点：整个生产过程以生产工单作为生产单位，批量的体现在最 后一道工序浮雕( 自动分卷而得到所需的产品数量) ，第一道工序涂层和其后续工 序如印刷、浮雕一般有一段时间的间隔期，整个工单的完工时间一般为3 至4 天。 从生产线来看，自动化程度比较高，每道工序的设备一般有多台，从调度的 角度看，属于并行机的范畴。从调度要求达到的目标来看，一般来说是使生产时 间最小，准时交货，提高生产效率。 从约束因素来看，制造系统中各种生产任务之间总会存在许多不同类型的约 第二章墙纸行业生产特点分析 束关系。这些约束分别来自产品配套、工艺、资源使用以及管理目标等。它们直 接影响了每个产品的各个工序操作的生产流程安排顺序，也同时影响了系统生产 计划和调度中的优化决策，因为生产计划和调度的实质正是根据这些管理目标和 约束条件寻求一个优化的作业安排结果。因此生产调度方案必须考虑这些约束的 制约，即在满足约束的基础上进行资源、能力、物料的统筹安排，进行优化决策。 墙纸行业一般考虑以下几种约束： 1 1 配套约束：生产工单的配套关系使各产品在生产中有数量和加工先后顺 序的约束； 2 ) 工艺约束：产品的制造过程是按照工艺路线进行的，因此工序任务问存 在工艺规程方面的约束； 3 1 主资源约束：每道工序都要使用一定的资源和设备，形成资源设备上的 操作安排队列从而产生的约束； 4 1 系统性能和管理目标约束：调度的最终要求和管理目标对任务安排产生 的约束； 综上所述，墙纸行业的生产调度问题的特点和混合f l o w s h o p 问题的一般特征 十分吻合，因此可以把这个问题归为混合f l o w s h o p 问题来求解，这个问题在下一 章有详细叙述。 2 3 小结 本章描述了制造业的生产模式分类，给出了墙纸行业的主流生产模式，指出 其属于面向订单生产的半流程制造业，并给出实例辅以说明。 在墙纸企业生产过程中，对于一个产品，其生产工序是一个连续的过程，但 每个工序中的工艺路线是可灵活选择的，可以根据实际情况在不同的机器设备上 进行生产，所有的订单并不一定以相同的顺序通过所有的机器。而且在实际生产 流程中，多品种小批量是其特点，批量通过生产工单来体现。因此，生产调度的 聚焦点是生产工单。 基于上述特点，文中指出墙纸行业的生产调度问题可归结为混合f l o w s h o p 问 题。 广东工业大学硕士学位论文 第三章墙纸行业生产调度算法设计 本章根据上一章对墙纸行业生产系统及其生产调度特点的分析，在介绍生产 调度和遗传算法的一些基本知识的基础上，采用基于置换编码的遗传算法进行优 化计算，得到了比较好的应用效果。 3 1 遗传算法理论 3 1 1 遗传算法基本原理及其基本流程 遗传算法是从代表问题可能潜在解集的一个种群开始的，而一个种群则由经 过基因编码的一定数目的个体组成。每个个体实际上是染色体带有特征的实体。 染色体作为遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现( 即基因型) 是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体 中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此，在一开始需要实现从表现型到基 因型的映射即编码工作。由于仿照某基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化， 如二进制编码。初始种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代演化 产生出越来越好的近似解。在每一代，根据问题域中个体的适应度大小挑选个体， 并借助于自然遗传学中的遗传算子进行组合交叉和变异，产生出代表新的解集的 种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后代种群比前代更加适应于环境， 末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题近似最优解。f 2 0 】 假设优化问题是： ( q ) m a x f ( x ) ：x d c r ”斗r b f ：d c r ”_ r ( 3 1 ) 对于每一个x 存在个函数值，能够表明解的质量的好坏，优化问题就是要 寻找这样的解，使得与之对应的函数值最大( 或最小) 。用遗传算法求解( q ) 问题的 基本策略是不直接作用于实变量x ，而是作用于x 的可称之为染色体的某种编码 ( 最常见的是二进制数串编码) 。所以，对于取定的f 的任一适应函数和固定长度 为l 的二进制数串编码，遗传算法实质上是通过求解组合优化问题： m a x ，( x ) ：x s ( 3 2 ) 第三章墙纸行业生产调度算法设计 来求问题( q ) 的，这里s = 0 ，l 。为d 的编码空间( 即d 中所有实变量的长度为 l 的二进制数串1 。 为叙述方便起见，我们先介绍遗传算法的几个术语。 ( 1 ) 基n ( g e n e ) 链码：使用遗传算法时，需要把问题的每一个解编码成一个基 因链码，其中每一位代表一个基因，因此，一个基因链码就代表问题的一个解， 每一个基因链码有时也被称作是一个个体( i n d i v i d u a l s ) 。 图3 1 标准遗传算法框图 f i g 3 - 1s t a n d a r d f l o wc h a r to f g e n e t i ca l g o r i t h m ( 2 ) 群体( p o p u l a t i o n ) 。一个群体是若干个体的集合，由于每个个体代表问题的 一个解，所以一个群体就是问题解的集合。 广东工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 交叉( c r o s s o v e r ) ，选择群体中的两个个体，以这两个个体为双亲做基因链 码的交叉，从而产生两个新的个体做它们的后代。简单的交叉方法是随机选取一 个截断点切开，并交换其后部基因，从而组合成两个新的个体。 ( 4 ) 变异( m u t a t i o n ) ；其方法是对于群体中的某个个体，即基因链码，随机选取 某一位( 某基因) ，将该位基因码翻转为l ，l 转为0 。 ( 5 ) 适应度( f i t n e s s ) ：每个个体对应于优化问题的一个解，每个解对应一函数值， 在优化问题要求最大解的情况下，函数值越大，表明该个体越好，即对环境的适 应度越高，所以可以用每个个体的函数值作为它对环境的适应度。 标准遗传算法的流程图描述，如图3 1 所示。 3 1 2 遗传算法参数和操作的设计 在设计遗传算法时，通常按以下的基本不步骤进行：1 2 l j 确定编码方案：遗传算法求解问题不是直接作用在问题的解空间上，而是利 用解的某种编码表示。选择何种编码表示有时将对算法的性能、效率等产生很大 的影响。 确定适应函数：适应值是对解的质量的一种度量，它通常依赖于解的行为与 环境( 即种群) 的关系。一般以目标函数或费用函数的形式来表示。解的适应值 是演化过程中进行选择的唯一依据。 选择策略的确定：优胜劣汰的选择机制使得适应值大的解有教高的存活概率， 这是遗传算法与一般搜索算法的主要区别之一。不同的选择策略对算法的性能也 有较大的影响。 控制参数的选取：控制参数主要包括种群的规模、算法执行的最大代数、执 行不同遗传操作的概率以及其他一些辅助性的控制参数。 遗传算子的设计：遗传算法中的遗传算子，主要包括繁殖、杂交、变异以及 其它高级操作。 确定算法的终止准则：由于遗传算法没有利用目标函数的梯度等信息，所以 在演化过程中，无法确定个体在解空间的位置。从而无法用传统的方法来判定算 法的收敛与否以终止算法。常用的办法是预先规定一个最大的演化代数或算法在 连续多少代以后解的适应值没有什么明显的改进时，即终止。 1 8 第三苹墙纸行业生产调度算法设计 编程上机运行，得到可靠的解。 遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法，以其简单通用、鲁棒性强、适用 于并行处理以及应用范围广等显著特点，奠定了它作为2 1 世纪关键智能计算之一 的地位。与普通的优化搜索方法相比，遗传算法具有如下特点： ( 1 ) 搜索过程不直接作用在变量上，而是在参数集上进行编码的个体。此编 码操作使遗传算法可直接对结构对象( 集合、序列、矩阵、树、图、链和表) 进行 操作； ( 2 ) 搜索过程是从一组解迭代到另一组解，采用同时处理群体中多个个体的 方法，降低了陷入局部最优解的可能性，并易于并行化； ( 3 ) 对搜索空间没有任何特殊要求( 如连通性、凸性等) ，只利用适应性信息， 不需要导数等其它辅助信息，适应范围广； ( 4 1 采用概率的变迁规则来指导搜索方向，而不采用确定性搜索规则； ( 5 1 遗传算法在搜索过程中不容易陷入局部最优，即使在所定义的适应值函数 是不连续的、非规则的或有噪声的情况下，它也能以很大概率找到整体最优解： ( 6 ) 遗